HR2钢金属柱壳爆轰加载中诱发单旋剪切行为的动态断裂机理及影响因素研究

Fracture behavior of metal cylinder shell during high-strain-rate dynamic deformation presents a strong tendency to form self-organized sectorial shear fractures. These phenomenon may be related the mesoscopic features caused by machining process of the metal cylinder. In this project, HR2 steel cylinder shell is explosive implored and collapsed to investigate the formation mechanism of this unique sectorial shear fractures. The cylinder shell will be machined and then polished or annealed to prepare samples with different mesoscopic features. The mesoscopic feature of these samples will be investigated systematically to distinguish their effect on the fracture process of cylinder shells. The deformation microstructures and shocking-induced phase transition of the as-impacted samples will be studied extensively to clarify the failure mechanism and the initiation and propagation processes of shear cracks. The dynamic fracture behavior of cylinder shells with different machining induced mesoscopic features will be compared to find out the key factor that give rise to the sectorial shear fractures. The objective is to get a real breakthrough in the investigation of dynamic fracture mechanism as well as obtain the characteristic time and strain during dynamic fracture to realize the numerical modeling of dynamic fracture process.

本申请针对“培育项目”的鼓励研究方向－GL8.表面加工介观状态对金属柱壳动态断裂行为影响研究。.大量的金属柱壳结构在高速率爆轰断裂时，表现出绝大多数剪切断裂面呈现一致取向选择的“单旋剪切断裂模式”，理论分析与数值计算均无法解释这种现象。实验研究认为是材料的表面加工介观状态诱发了爆轰断裂中的单旋现象。本申请拟选取目前工程上应用较多的高性能HR2抗氢钢作为实验材料，针对性的进行加工、退火及电解抛光等预处理，设计具有不同初始状态的金属柱壳样品，并对其进行系统表征，分辨各种因素在动态加载中对其断裂行为的贡献。研究金属柱壳受载后的结构演变规律和失稳断裂历程，揭示其断裂机理，结合对表面加工介观状态的表征，揭示诱发单旋剪切断裂模式发生的主要因素，推动停滞多年的断裂机理研究进程。得到其发展过程的特征时间、特征应变等参量，为最终建立合理的力学模型实现断裂模式的数值模拟提供理论支持。

本课题以高性能HR2抗氢钢及45钢作为实验材料，经过预处理，获得了具有不同初始状态的金属柱壳样品。通过研究金属柱壳爆轰加载后回收断裂碎片的端口形貌裂纹分布等宏观特征及形变微观结构特征及其分布规律，揭示其爆轰加载中的结构响应历程、微观结构演变规律，阐明其失稳断裂机理。主要结果包括： .1、HR2钢薄壁柱壳样品的断裂残片的断面呈现纯剪切断裂模式，厚壁柱壳样品的断裂残片断面呈现拉剪混合断裂模式。这是由于柱壳内壁处剪切应力主，导柱壳外表面环向拉应力主导，壁厚较小时，剪切失稳带贯穿整个壁厚，最终呈现纯剪切断口形貌；壁厚较大时，使外表面形成拉伸裂纹，当与内壁的剪切失稳带相遇后形成拉剪混合断裂。HR2钢外表车削薄壁柱壳断裂残片出现单向优势分布，呈现出近似单旋剪切断裂模式。表面抛光薄壁柱壳I去除了车削加工造成的表面加工变形层，使外表面的裂纹成双向分布，使其在爆轰加载下的断裂呈现出双旋剪切断裂模式。.2、HR2钢断裂残片的微观结构观察发现，大量晶粒出现了高密度的孪晶组织，剪切带主要在孪晶中形成。硬度测试发现，柱壳内的塑形变形并不均匀，而是内表面附近最剧烈，且由内至外线性减少。薄壁柱壳截面积小，硬度变化较大，应变局域化更为严重，更易于剪切带的形成。而厚壁柱壳塑形变形程度更为均匀。.3、45钢柱壳断裂模式均为近似单旋剪切断裂模式；断裂残片内出现了大量双向均匀分布的剪切带和沿剪切带形核的微裂纹，断裂残片内表面附近的变形最为严重，在内表面附近剪切带最为密集，大量裂纹从断裂残片的外表面萌生，并沿车削加工方向单向优势分布，裂纹沿剪切带的均匀萌生及沿外表面的单向优势萌生共同作用使得45钢柱壳的断裂呈现出近似单旋剪切断裂模式。.4、对45钢断裂残片的变形结构系统研究发现，爆轰加载后，45钢珠光体组织变形较小，铁素体变形严重，在爆轰加载下，铁素体中经历了可逆相变过程，部分晶粒中形成了独特的枝晶形貌、和三角形孪晶结构。